生物燃料电池及其进展

性能影响因素
电子传递速率
性能
燃料氧化速率 回路的电阻 质子传递速率
阴极上的还原速率等
制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电子传递过程！
电子转移速率由电势差、重组能和电子供体 与受体之间的距离决定。
理论和实验均表明,随传递距离的增加, 电子转移速率呈指数下降的趋势。 实现直接电子传递的方法主要有三种：
对微生物酶分子的蛋白质外壳进行修饰,使它能够允许
电子通过,然后再把修饰后的酶固定到电极上。 在比微生物细胞更小的尺度上,直接用导电聚合物固定酶。 通过在电极表面进行贵金属纳米粒子、以及碳纳米管等 物质的修饰, 利用纳米粒子的尺寸效应、表面效应等奇妙的 特性来实现直接的、快速的电子传递。
微生物燃料电池及其进展
一、酶固定方法新进展
游离态酶容易失活，一般将酶固 定在碳电极、铂电极或金电极等 常规电极上，这可提高酶的有效 寿命，增加热稳定性和pH值稳定 性。 选择合适的电极材料和优化酶的固定化 方法,促进酶和电极之间的电子传递, 可 以提高生物燃料电池的各种性能。
纳米结构中的催化剂
利用各种纳米结构材料, 如纳米微粒、 纳米纤维和介孔介质巨大的表面做成生 物燃料电池的基质,可以增加酶载量、提 高酶生物燃料电池的能量密度。
二、高活性微生物的选择
目前微生物燃料电池的库仑产率和电 流密度都不高，因此高活性微生物的 选择尤其重要。 梭状芽孢杆菌（clostridium)EG3 菌株亲水性产气单胞(A.hydrophila)PA3 Park等利用燃料电池来培养并富集具有电化学活性的微生物 。 他们从电池阳极区中分离出梭状芽孢杆菌EG3,并测定其 电化学性能。以其为催化剂,以葡萄糖为燃料的燃料电池， 电流可达0.22mA。 值得注意的是，以上实验用来培养菌株的燃料电池都是以 污水为燃料这为微生物燃料电池的应用拓宽了空间。
工作原理
燃料（葡萄糖等) 于阳极室在催化剂（酶、微生物 等) 作用下被氧化，电子通过外电路到达阴极，质 子通过质子交换膜到达阴极，氧化物（ 一般为氧 气) 在阴极室得到电子被还原。
葡萄糖 蔗糖 乳酸盐 醋酸盐 醇类
氧气
原料
过氧化氢 高锰酸钾
生物燃料和氧化剂
催化剂的研究过去主要集中于阳极，因为阴极 反应物和普通燃料电池相同。 近来为了替代 金属铂电极，对阴极催化剂的研究也越来越多。 生物燃料电池的阳极如下图 所示， 底物（燃料）在微生物或酶的催化 作用下被氧化，电子经过介体的传 递到达电极。
微生物燃料电池所用微生物有大肠杆 菌 ，普通变型杆菌等。
由于微生物催化反应较复杂，副产物多且 难以控制，微生物燃料电池很少用于直接 供电，主要用于生物传感器、处理污水或 微生物的培养及性能测定等。
一、无介体微生物燃料电池
由于常用介体价格昂贵，无介体生物燃料电 池的出现大大推动了燃料电池的商业化进展 腐败希瓦菌 Geobacteraceae属的细菌 Rhodoferaxferrireducens微生物 腐败希瓦菌类细菌的细胞外膜上存在细胞色素，它具有 良好的氧化还原性能，可在电子传递过程中起到介体的 作用，且它本身就是细胞膜的一部分，不存在渗透能力 问题，从而可设计出无介体高性能的生物燃料电池。
前景与展望
经济发展与环境和能源 之间的矛盾越来越突出 生物燃料电池绿 色无污染且可再生 生物技术巨大发展和 燃料电池研究不断进步
生物燃料 电池越来 越Fra Baidu bibliotek到人 们的关注！
虽然由于功率密度低等原因，短期内生物燃料电池还无法进入实 用领域，但在为植入体内的器官提供动力和生物传感器等方面它 已显示出良好的前景。生物燃料电池在不远的将来一定会取得突 破性进展!
Mox介体的氧化态; Mred介体的还原态; S底物;P产物 生物燃料电池阳极示意图
微生物细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质， 电子难以穿过，因此微生物燃料电池大多需要介 体。电子通过介体的氧化还原态的转变从而将电 子转移到电极上。
充当介体应具备如下条件 ： ①容易通过细胞壁； ②容易从细胞膜上的电子受体获取电子； ③电极反应快； ④溶解度、稳定性等要好； ⑤对微生物无毒； ⑥不能成为微生物的食料。
特点
真正意义上的绿色电池
长寿命
持续功率输出
自然 安全、轻便
生物相容性
操作条件温和
应用普遍 原料广泛
技术要求
持续的输出功率; 生物体外的总输出功率大于100 µW; 生物体外功率密度大于10 µW / cm² ； 生物体内功率密度大于5 µW / cm² ； 稳定期大于100天； 具有生物相容性。
纳米粒子：酶载量的质量分数可达6.4%～10%，酶 的稳定性大大提高。磁性纳米粒子可解决反应之后 酶的再利用问题。
纳米纤维：可以更好地解决酶在反应溶 液中的分散和反应后的恢复问题。 静电纺丝纳米纤维、多孔纳米纤维等
Kim等在静电纺丝纳米纤维表面上制备了酶覆盖 层。酶具有较高的活性和稳定性, 这是一种经济 上切实可行的酶系统, 除可应用于生物燃料电池 外, 还可用于生物转化、生物治理和生物传感器 。
三、与太阳电池结合的酶生物燃料电池
将太阳电池与生物燃料电池相结合，是 生物燃料电池发展的另一个新方向。
此复合电池的短路电流可达60µA,开路电压可达0.75V,最大功 率为19µW,优于用同样燃料和阴极的太阳电池和生物燃料电池!
生物燃料电池利用领域和价值
由生物转化成效率高,价廉、长效的电能系统。 利用废液、废物作燃料,用微生物电池净化环境 ,而且产生电能。 以人的体液为燃料，做成体内填埋型的驱动电 源—微生物电池成为新型的人体起搏器。 从转化能量的微生物电池可以发展到应用转换 信息的微生物电池，作为介体微生物传感器。
酶生物燃料电池及其进展
酶生物燃料电池以从生物体内提取的 酶为催化剂，常用的酶有胆红素氧化 酶、葡萄糖氧化酶、漆酶等。 虽然酶燃料电池中酶在生物体外催化活性 保持比较困难,电池稳定性差,但由于酶催化 剂浓度较高并且没有传质壁垒,因此有可能 产生更高的电流或输出功率。因此酶生物 燃料电池是燃料电池研究的重点。 可为微型电子装置提供电能。在疾病的诊断和 治疗、环境保护以及航空航天等领域具有诱人 的应用前景。
二、无介体酶生物燃料电池
生物燃料电池具有生物相容性，若采 用导电聚合物作为酶固定材料，可制 得无介体酶生物燃料电池，体积将大 大缩小，这在为植入体内的微型装置 提供能源方面很有应用前景。
Barton等研究了符合此条件的阴极制备方法。先制备一种聚 阳离子膜, 膜由聚- 氮-乙烯基咪唑1/5 环与[Os(tpy)(dem-bpy) 螯合形成。所得膜不但导电,而且Os2+/3+离子还可作为电子传 递介体. 将此膜与漆酶以及交联剂(聚乙二醇二甲醚)吸附于碳 电极上,制得可对氧气进行4 电子还原的阴极。当漆酶来自毛 云芝（coriolus hirsutus)时,在pH=5,37℃,高对流情况下,电势 可以达到0.62v (相对标准氢电极),电流密度超5mA· -2。 cm
生物燃料电池及其进展
汇报人：覃卫玲
主要内容
1 2
简介 微生物燃料电池及其进展 酶生物燃料电池及其进展
3
定义
资源短缺、能源危机使得生物产能的研究日益受到重 视.近年来生物燃料电池的研究吸引了多学科的参与,为学 科间的交叉发展提供了广阔的空间。
生物燃料电池是一种特殊的燃料电池! 它是以有机物为 燃料,直接或间接利用微生物或酶作为催化剂的一类特殊 的燃料电池。
分类
按采用催化剂的不同：
微生物燃料电池和酶生物燃料电池 前者利用微生物整体作为催化剂；后 者直接利用酶作催化剂 按电子转移方式的不同： 直接生物燃料电池和间接生物燃料电池 前者是指燃料直接在电极上氧化，电子直接由燃 料转移到电极；后者的燃料不在电极上氧化，在 别处氧化后电子通过某种途径传递到电极上来。
优化酶的固定化方法
一般用聚合物膜固定酶是近年来 研究较多的方法。
Halliwell,simon等,用改性的聚苯胺固定酶:先 将改性聚苯胺膜沉积在玻璃碳电极上, 再将电 极浸泡在4℃的酶溶液中2h,制得生物催化电极 。 丝素蛋白和壳聚糖是两种新颖的天然酶固定材料，具 有良好的生物相容性，已广泛用于制作生物传感器， 但在生物燃料电池领域的应用目前尚未见报道。
近期出现了一些形式新颖的微生物燃料 电池,其中具有代表性的是利用光合作用 和含酸废水产生电能。
Karube 和Suzuki 用可以进行光合作 用的微生物Rhodospirillumrubrum发 酵产生氢，再提供给燃料电池。除光 能的利用外，更引人注目的是他们用 的培养液是含有乙酸、丁酸等有机酸 的污水。发酵产生氢气的速率为19～ 31ml/min,燃料电池输出电压为0.2～ 0. 35V，并可以在0.5～0.6A 的电流 强度下连续工作6 小时。 Habermann 和Pommer 进行了直接以含酸废水为原料的燃料 电池实验。在对两种污水的实验中，降解率达到35%～75% 。此工作显示了生物燃料电池的双重功能，即一方面可以处 理污水，另一个方面还可以利用污水中的有害废物作为原料 发电。
介孔介质：由于进入介孔材料内表面和孔 穴的分子因量子尺寸效应及界面藕合效应 的影响而具有许多特殊的、优良的物理、 化学等性能, 因此, 介孔材料也是一种优良 的酶固定化的基质。
Diaz第一次报道了将酶固定在MCM-41(孔径 4nm)上之后, 又发现了许多介孔介质可作为酶固 定化的基质, 包括SBA-15(孔径5~13nm), MCF( 孔径15~40nm)以及介孔碳等。采用介孔材料固 定化酶的技术目前已应用于生物传感器、肽合 成和纸浆的生物漂白中, 预计也可用在生物燃料 电池中。